空间碎片超高速碰撞防护研究进展

摘要

从1957年第一颗人造地球卫星升空以来，人类共进行了5000余次航天器发射活动，共发生了201次在轨航天器或火箭载体爆炸／撞击(破碎)事件，产生了数量众多的空间碎片(俗称太空垃圾)，形成了唯一一个人为外层空间环境——空间碎片环境。空间碎片的运行速度为7.8km／s(第一宇宙速度)，空间碎片与航天器的超高速撞击，其相对撞击速度范围在0-15km／s，平均撞击速度为10km／s。它们对航天器的安全构成严重威胁，为此，从上世纪八十年代起，世界各航天国家都持续开展了航天器空间碎片防护技术研究。随着我国航天事业的迅猛发展，长寿命、高可靠的大型航天器特别是载人航天器对空间碎片防护设计的需求日益迫切，开展空间碎片防护技术研究，提高航天器在空间碎片环境中的生存能力，是保障航天器安全刻不容缓的任务。本文综述了空间碎片环境现状，空间碎片对航天器的危害和对策。全面介绍了国外空间碎片防护研究包括：超高速发射技术、超高速撞击动态诊诊断方法、高性能防护材料开发、先进防护结构设计、防护工程应用等研究进展。特别是详细介绍了作为我国航天器研究、设计、制造主要单位的中国空间技术研究院在空间碎片防护研究方面的近期进展，包括：1.密度梯度型高性能防护结构探索研究；2.Whipple防护结构超高速撞击特性低温效应研究； 3.卫星防护材料MLI超高速撞击特性研究；4.飞船舷窗玻璃弹道极限方程研究；5.超高速撞击碎片云动力学模型研究；6.二级轻气炮超高速撞击试验技术研究进展； 7.新型高精度弹道极限方程研究；8.7km／s以上的超高速发射技术；9.超高速撞击弹丸形状效应研究； 10.激光驱动微小碎片超高速发射技术；11.微小碎片速度激光瞬态测量技术；12.微小碎片超高速撞击研究，等。展望了国内外空间碎片防护研究趋势，简要介绍了空间碎片防护设计工程应用和我国空间碎片防护工程十二五行动计划和目标。